位相シフト超構造ファイバブラッググレーティング 情 報 通 信 研 究 機 構 片 岡 伸 元 1・ 和 田 尚 也 2 光 電 子 技 術 研 究 所 寺 田 佳 弘 3・ 坂 元 明 4・ 西 出 研 二 プリント回路事業部 西 脇 賢 治 6 5 Phase-Shifted Superstructured Fiber Bragg Grating N. Kataoka，N. Wada，Y. Terada，A. Sakamoto，K. Nishide，and K. Nishiwaki 光符号分割多重アクセス（OCDMA）技術は，ユーザ毎に異なる符号を割り当てることで多重化を行う アクセス技術であり，光アクセスネットワークの高速化・大容量化を実現する技術として注目されている． 今回われわれは，位相シフト超構造ファイバブラッググレーティング（SSFBG）を用いた光符号・復号器 の改良を行い，また，中央局にマルチポート光符号・復号器，各ユーザ端末装置に SSFBG 光符号・復号 器を配置した OCDMA ネットワークを構築し，10 Gbps × 8 ユーザでのフィールド伝送試験を行った． Optical Code Division Multiple Access（OCDMA）is one of the multiplexing access techniques that assign different codes to each user. It is a promising candidate for new-generation broadband multiple access techniques. In this report, we modify phase-shifted Super Structured Fiber Bragg Grating（SSFBG）en/decoders. We also construct an optical network that uses multiport en/decoder at central office and SSFBG en/decoders at each Optical Network Unit（ONU）, and successfully demonstrate field trials of 10 Gbps, 8-user Differential Phase Shift Keying（DPSK）- OCDMA system. WDM）アクセス技術と組み合わせることが可能であり， 1．ま え が き 通信容量の増大だけでなく，光アクセスネットワークに インターネットを用いたデータサービスの多様化に 多様な機能を持たせることが可能となる 1）． より，これまでテレビや新聞から情報を受け取るだけで OCDMA 方式では，同符号間の相関は 1 となり，異 あった個人が，自ら情報の発信源となったり，大量の情 符号間の相関は 0 となるような直交符号を用いており， 報を個人間でやり取りすることが可能となってきた．イ ユーザ毎に異なる符号を割り当て，受信側で符号が一致 ンターネットの急激な普及は日常における情報通信量 した信号のみが再生される仕組である．符号不一致によ の爆発的な増大を招いており，情報通信ネットワークの り再生されなかった信号は干渉雑音の原因となり，信号 さらなる高速化，大容量化が求められている．このよう 品質を悪化させる．これまでの多くの報告では，干渉雑 な要求に対し，光アクセスネットワークの高速化・大容 音を除去するための方法として，時間ゲート処理，光閾 量化を行う多重アクセス方式として，光符号分割多重ア 値処理などが用いられてきた 2）3）．時間ゲート処理とは， クセス（Optical Code Division Multiple Access, 以下 復号化された信号と同期する信号を用いて，特定の時間 OCDMA と記す）技術が注目を浴びている．OCDMA 窓の中にある信号以外を除去することでノイズレベルを 方式は，ユーザ毎に異なる符号で情報ビットを光符号化 低減する方法であり，また，光閾値処理とは，ある閾値 することにより，1 つの伝送線路を多くのユーザで共有 以下の強度レベルの信号を除去することでノイズレベル 可能とする多重アクセス技術で，完全非同期性，低遅延 を低減する方法である．これらの手法はシステムの制御 アクセス性，高秘匿性などの優れた性能を有する．また， が複雑となり，また，装置の規模も大きくなるため，光 既 存 の 波 長 分 割 多 重（Wavelength Division Multiple, アクセスネットワークには不向きであると考えられる． そこでこれらの処理を用いず，光符号の特性を向上する ことで OCDMA システムを構築する技術が望まれてい 1 新世代ネットワーク研究センター 超高速フォトニックネットワークグループ（博士（工学）） 2 新世代ネットワーク研究センター 超高速フォトニックネットワークグループ グループリーダー（博士（工学）） 3 応用電子技術研究部 4 光技術研究部 5 光電子技術研究所長 6 キーデバイス技術部 る． 今回われわれは，光符号の特性向上を目的とし，位相 シフト超構造ファイバブラッググレーティング（Super Structured Fiber Bragg Grating，以下 SSFBG と記す） を用いた光符号・復号器の開発を行った．本稿では，位 相シフト SSFBG の作製結果と，位相シフト SSFBG を 6 位相シフト超構造ファイバブラッググレーティング 略語・専門用語リスト 略語・専門用語 正式表記 説 明 OCDMA Optical Code Division Multiple Access 光符号分割多重アクセス ユーザ毎に異なる符号で情報ビットを 光符号化することにより，1 つの伝送 線路を多くのユーザで共有可能とする 多重アクセス技術 WDM Wavelength Division Multiple 波長分割多重 SSFBG Super Structured Fiber Bragg Grating 超構造ファイバブラッググレーティング 特定の波長（ブラッグ波長）を反射す る単位 FBG（FBG チップ）を複数個， 直列に並べた構造 PLC Planar Lightwave Circuits 平面光回路 AWG Arrayed Waveguide Grating アレイ導波路回折格子 ONU Optical Network Unit 加入者宅用の光配線終端装置 DPSK Differential Phase Shift Keying 差動位相偏移変調 OLT Optical Line Terminal 光アクセスネットワークにおける中央局 Japan Gigabit Japan Gigabit Network 2 情報通信研究機構が運営する通信研究 Network2 用光ケーブル設備 用いた，OCDMA システムによるフィールド伝送実験 を用いた光符号・復号器は，光ファイバベースのデバイ の結果について述べる． スのため，小型化，低価格化が可能であり，偏波無依存， 波長分波機能を有するなど，加入者宅用の光配線終端装 置（Optical Network Unit，以下 ONU と記す）として 2．位相シフト SSFBG の作製 非常に有効である． 2．1 SSFBG を用いた光符号・復号器について 位相シフト SSFBG は，特定の波長（ブラッグ波長） 光符号の特性と干渉雑音レベル（ξ）の関係は，光符 を反射する単位 FBG（FBG チップ）を複数個，直列に並 号のチップ数（N）およびパワーコントラスト比（Power べた構造となっており（図 1 参照），配置する FBG チッ Contrast Ratio，以下 PCR と記す）を用いて，式（1） プ数が光符号のチップ数に相当する．FBG の製法上，光 4） で表される ． ξ= 1 N×PCR 符号のチップ数を増やすことも可能である．また，個々 の FBG チップ間の位相を制御することにより，各 FBG ・・・（1） チップからの反射信号光の位相を任意に制御できる仕組 となっており，PCR 値が高いコヒーレント OCDMA 方 ここで，PCR とは自己相関（符号一致）出力と相互 式の符号・復号器に用いることができる 6）． 相関（符号不一致）出力の光強度比を表している．つま これらの特徴をいかし，1）光符号のチップ数を増や り，チップ数を増やすか，PCR を大きくすることで干 す，2）PCR を大きくする，という 2 つのアプローチで 渉雑音を低減でき，信号品質の向上が期待できる． 位相シフト SSFBG を作製した． 光直交符号を作製する光符号・復号器としては，光 2．2 511 チップ SSFBG の作製 フ ァ イ バ 遅 延 回 路， 平 面 光 回 路（Planar Lightwave まず，光符号のチップ数を増やすことで干渉雑音レベ Circuits，PLC）， ア レ イ 導 波 路 回 折 格 子（Arrayed ルの低減を狙い，位相シフト SSFBG を設計，作製し， 5） Waveguide Grating，以下 AWG と記す） ，SSFBG な これを光符号器・復号器に用いて実証試験を行った．作 どが挙げられる．現在の光アクセスネットワークでは， 製 し た 位 相 シ フ ト SSFBG は，FBG チ ッ プ 長 が 0.156 加入者宅では各ユーザ固有の光符号処理機能のみが必要 mm，FBG チップ数が 511 であり，世界最多符号チッ であり，また各家庭に設置されることから，小型で低価 プ数の SSFBG である．位相符号パターンは，0，πの 格な光符号・復号化装置が必要とされている．SSFBG 2 値で構成し，符号系列数が多くマルチユーザへの適 7 2010 Vol.1 フ ジ ク ラ 技 報 第 118 号 位相シフト 光ファイバ FBGチップ1 FBGチップ2 … … … … … π 0 π π 0 プ屈 ロ折 フ率 ァ変 イ調 ル π 位 相 符 号 0 0 π 図 1 位相シフト SSFBG 概略 Fig. 1. Schematic illustration of phase-shifted SSFBG. 用に有利なゴールド符号系列を用いた．各 FBG チップ た符号系列を用いることで PCR を向上させることがで は，光ファイバに石英ガラス製の回折格子（位相マスク） き る． ま た， 前 項 の 511 チ ッ プ SSFBG で は， 符 号 長 を介して紫外レーザを照射することで作製されており， によりビットレートが制限されたが，本方式では FBG 個々の FBG チップの位相は，位相マスクと光ファイバ チップ数を少なくする，すなわち符号長を短くするこ の位置関係を nm オーダーで精密に制御することで達成 とができるため，高ビットレート伝送が可能となる．今 した．作製した位相シフト SSFBG について，反射スペ 回の検討では，OCDMA システムを用いた光アクセス クトルを計測し，シミュレーション結果と比較を行った． ネ ッ ト ワ ー ク を 構 築 す る 上 で， 中 央 局（Optical Line SSFBG の反射スペクトル実測値とシミュレーション値 Terminal，以下 OLT と記す）側を想定した光符号・復 を図 2 に示す．シミュレーション値と実測値のスペクト 号器には AWG を用いたマルチポート光符号・復号器を ル形状がよく一致しており，FBG チップ間の位相シフ 用い，ONU を想定した光符号・復号器には SSFBG を トを高精度で制御できていることが確認された． 用いる，ハイブリッド光符号・復号器構成を検討した． 続いて，上記の 511 チップ位相シフト SSFBG を用い OLT では，複数種の光符号を生成・復号する必要があ て 2 多重光符号・復号化実験を行い，雑音レベルの評 るため，入出力ポートの組み合わせによって，一台の 価を行った．実験は，LN 変調器で強度変調した，中心 装置で異なる光符号を同時に生成・復号することがで 波 長 1551 nm， パ ル ス 幅 1.8 ps， 繰 り 返 し 周 波 数 1.25 きるマルチポート光符号・復号器が適している．また， GHz の光パルス列を用いた．なお，FBG は，周囲の温 ONU では，各ユーザ固有の光符号処理のみが出来れば 度変化で光ファイバを構成する石英ガラスの屈折率変化 よく，かつ，各家庭に設置されることから小型化，低コ および線膨張によりブラッグ波長が変化する特性を持つ スト化する必要があるため，SSFBG を用いた光符号・ ため，SSFBG に引っ張り応力を付加できる機構を設け， 復号器が非常に有効である 7）． SSFBG の全長を調整することでブラッグ波長を可変で 今 回 の 検 討 で は，OLT の 光 符 号・ 復 号 器 と し て 16 きるようにした．光符号・復号化実験の結果を図 3 に示 × 16 マルチポート光符号・復号器を用い，2 π /16 刻 す．1.25 Gbps において干渉雑音レベルξは -27 dB ま みの 16 値で，チップ数 16 の周期的な位相符号パター で抑制され，511 チップ SSFBG を用いた光符号器・復 ンを生成した．これに合わせ，ONU の光符号・復号器 号器の有効性が実証された． に は，FBG チ ッ プ 数 16 で，FBG チ ッ プ 間 の 位 相 を 2 2．3 16 値位相シフト SSFBG の作製 π /16 刻 み で 制 御 し た SSFBG を 用 い た． ま た， 本 16 続いて，高 PCR 特性の光符号・復号器を用いること × 16 マルチポート光符号器が生成する 16 チップ（200 で干渉雑音を低減し，信号品質を向上させる検討を行っ GChip/sec）の光符号に合わせ，FBG チップ長は 0.516 た．位相符号パターンを 0 ∼ 2 πの均等刻みになるよう mm に設計した．また，SSFBG の反射帯域制限による に多値化し，ランダム符号系列ではなく，周期性を持っ 信号パルス幅の広がりを抑制するため，図 4 に示すよう 8 位相シフト超構造ファイバブラッググレーティング 10 (a) シミュレーション値 実測値 5 0 反 射 -5 （dB） -10 -15 -20 1545.0 1546.0 1547.0 1548.0 1549.0 1550.0 1551.0 1552.0 1553.0 1554.0 1555.0 波 長（nm） 10 (b) シミュレーション値 実測値 5 0 反 射 -5 （dB） -10 -15 -20 1549.5 1549.6 1549.7 1549.8 1549.9 1550.0 1550.1 1550.2 1550.3 1550.4 1550.5 波 長（nm） 図 2 （a）511 チップ位相シフト SSFBG 反射スペクトル，（b）拡大図 Fig. 2.（a）Reflection spectrum of 511 chip phase-shifted SSFBG，（b）Enlargement． に，個々の FBG チップの屈折率変調に対しアポダイズ 値を計測したところ，前項で述べた 2 値ランダム符号系 （平滑化）をかけることで屈折率分布を最適化し，符号 列の 511 チップ SSFBG を用いた光符号・復号器では， 認識性を向上させている． PCR 値は 1 dB 程度であったのに対し，16 値周期性符 作製した SSFBG について，反射スペクトルを計測し， 号系列を生成するマルチポート光符号・復号器では，20 シミュレーション結果と比較を行った．SSFBG の反射 dB 以上の PCR 値が達成できた．同じ周期性符号系列の スペクトル実測値とシミュレーション値を図 5 に示す． 16 値位相シフト SSFBG でも 20 dB 以上の高 PCR 値が 計算値と実測値のスペクトル形状がよく一致しており， 実現できている． 2 π /16 単位の位相シフト制御が高精度で実現できてい 続いて，OLT に 16 × 16 マルチポート光符号・復号 ることが確認された．また，各光符号・復号器の PCR 器を用い，ONU の光符号・復号器に上記の 16 値位相シ 9 2010 Vol.1 フ ジ ク ラ 技 報 第 118 号 復号化 符号化 Code1 Code1 多重化 入力光パルス 100 ps/div 100 ps/div Code2 Code2 100 ps/div 100 ps/div 100 ps/div 100 ps/div 図 3 光符号・復号化による信号波形 Fig. 3. Encoding and decoding waveforms. 位相シフト 光ファイバ FBGチップ1 FBGチップ2 … … … … … プ屈 ロ折 フ率 ァ変 イ調 ル 図 4 アポダイズ付加 SSFBG 概略 Fig. 4. Schematic illustration of apodized SSFBG. -10 シミュレーション値 実測値 -15 -20 -25 反 射 -30 （dB） -35 -40 -45 -50 1551.0 1551.5 1552.0 1552.5 1553.0 1553.5 波 長（nm） 図 5 16 値位相シフト SSFBG 反射スペクトル Fig. 5. Reflection spectrum of 511 chip phase-shifted SSFBG. 10 1554.0 位相シフト超構造ファイバブラッググレーティング フト SSFBG を用いた OCDMA システムを構築し，100 証された． km フィールド伝送実証実験および双方向同時伝送実験 を行った．フィールド伝送実証実験では，情報通信研 3．む す び 究機構が運営する Japan Gigabit Network 2 で実際に 敷設されているダークファイバ（小金井∼大手町）を用 位 相 シ フ ト SSFBG を 光 符 号・ 復 号 器 に 用 い た い，実環境下で評価することを目的とし，DPSK 変調し OCDMA 技術において，1）光符号のチップ数を増やす， た繰り返し周波数 10.3125 GHz の光パルス列を用いて 2）PCR を大きくする，という二つのアプローチで干渉 伝送特性を評価した．評価の結果，8 ユーザ（8 符号多 雑音の低減を目指した．1）の検討では，FBG チップ長 重）× 10 Gbps の完全非同期 OCDMA 通信で，エラー 0.156 mm，FBG チップ数 511 の世界最多符号チップ数 -9 フリー（BER < 10 ）を達成した（図 6 参照）．また， SSFBG を作製した．作製した SSFBG の反射スペクト 双方向同時伝送実験では，1 心ファイバに上り下り方向 ルは，シミュレーション値とよく一致し，FBG チップ の OCDMA 信号を同一波長で，かつ，同時に通信を行 間の位相を高精度に制御できていることが確認でき，ま い，ファイバ内の波長利用効率向上の実証を目的とし， た，これを用いた 2 多重光符号・復号化実験では，干渉 誤り訂正符号を含む 10.7 GHz の DPSK 光パルスを用い 雑音レベルξを -27 dB まで低減することが出来た．2） て 50 km の伝送特性を評価した．評価の結果，8 ユーザ の検討では，OLT を想定した光符号・復号器として 16 （8 符号多重）× 10 Gbps の双方向同一波長完全非同期 × 16 マルチポート光符号・復号器を用い，ONU を想定 -9 OCDMA 信号のエラーフリー（BER < 10 ）伝送を達 した光符号・復号器には，FBG チップ間の位相を 2 π 成した（図 7 参照）．これらの結果より，マルチポート /16 刻 み で 制 御 し た 16 値 位 相 シ フ ト SSFBG を 用 い る 光符号・復号器および SSFBG 光符号器・復号器を組み ハイブリッド光符号・復号器構成の OCDMA システム 合わせたハイブリッド光符号・復号器構成の有効性が実 を構築し，100 km フィールド伝送および 50 km 双方向 （a）Downlink （i）DPSK signal （ii） （iii） 20［ps/div］ 20［ps/div］ Central station（Koganei） 20［ps/div］ Multi-port VOA PC Encoder 1 PPG OCDM Tx1 10.3125 GHz λ：1551 nm Network 10 GbE OCDM Tx2 Analyzer λ：1551 nm HDV PC3 OCDM Tx3 Camera λ：1551 nm HDV PC4 OCDM Tx4 Camera λ：1551 nm （iv） 3 20［ps/div］ 1 OCDM Rx2 3 50 km Installed SMF 5 7 50 km Installed SMF DCF Koganei 11 13 Koganei 15 ONU-8 OCDM Rx8 Otemachi PPG ONU-1 Otemachi DCF 50 km Installed SMF OCDM Tx1 λ：1551 nm 10.3125 GHz ONU-2 10 GbE Network OCDM Tx2 Analyzer λ：1551 nm OCDM Tx3 PC3 HDV Camera λ：1551 nm HDV OCDM Tx4 PC4 Camera λ：1551 nm 1：8 splitter Koganei 13 ONU-8 15 20［ps/div］ （x） 20［ps/div］ ONU-2 OCDM Rx2 1：8 splitter 9 8 （xi） 20［ps/div］ 50 km Installed SMF 7 8 9 （xii） 20［ps/div］ Otemachi 5 11 OCDM Rx8 （vi） ONU-1 OCDM Rx1 Central station（Koganei） Multi-port Decoder OCDM Rx1 （v） （ix） 20［ps/div］ 20［ps/div］ （viii） 20［ps/div］ （vii）DPSK signal 20［ps/div］ （b）Uplink 図 6 8 ユーザ OCDMA 信号 100 km フィールド伝送実験系 Fig. 6. 100 km field setup of 8-user OCDMA system. 11 2010 Vol.1 フ ジ ク ラ 技 報 第 118 号 Downlink （i）DPSK signal （ii）Encoding 20［ps/div］ 10［ps/div］ （iii）8 OCDM （iv）Decoding 20［ps/div］ 20［ps/div］ ONU-1 OLT OCDM Tx 1550.98 nm delay OCDM Rx Data Dual ED CDR pin CLK （xii）After CDR Multi-port Encoder 1 3 5 7 9 11 13 15 VOA PC 1 OCDM Rx 3 5 POL 7 9 11 13 15 VOA （v）DPSK detector（vi）After CDR ATT PC 20［ps/div］ Code1 OCDM Rx Code2 5m ISO SMF + DCF 50 km 20［ps/div］ Code3 10 m OCDM Tx PPG Code4 15 m Code5 20 m 1550.98 nm PM-L MLLD 7.6 nm 7.6 nm 10.3125 GHz Code6 25 m Code7 30 m Code8 （xi）DPSK detector （x）Decoding （ix）8 OCDM （viii）Encoding （vii）DPSK signal Uplink 20［ps/div］ 20［ps/div］ 20［ps/div］ 20［ps/div］ 10［ps/div］ 20［ps/div］ 図 7 8 ユーザ OCDMA 信号 50km 双方向同時伝送実験系 Fig. 7. Full-duplex setup of 8-user OCDMA system on a single wavelength. 同時伝送実証実験を行った．評価の結果，8 ユーザ（8 Loop Mirror for Improved Code Recognition and Noise 符号多重）× 10 Gbps の OCDMA 信号のエラーフリー Reduction”, IEEE/OSA J. Lightwave Technol., -9 （BER < 10 ）伝送を達成し，ハイブリッド光符号・復 Vol. 20, No. 1, pp. 36-46, Jan. 2002 号器構成の有効性が実証された． 4） X. Wang, K. Kitayama :“Analysis of Beat Noise 今後ますます増大する光アクセスネットワークにおい in Coherent and Incoherent Time-Spreading OCDMA”, て，位相シフト SSFBG を用いた OCDMA システムは IEEE/OSA J. Lightwave Technol., Vol. 22, No. 10, 有望な手段であると考えられる．今後もさらなる高機能 pp. 2226-2235, Oct. 2004 化を目指し，開発を継続していく． 5） G. Cincotti, N. Wada, K. Kitayama “Characterization : of a Full Encoder/Decoder in the AWG Configuration for Code-Based Photonic Router − Part1 : Modeling 参 考 文 献 and Design”, IEEE/OSA J. Lightwave Technol., Vol. 24, No. 1, pp. 103-112, Jan. 2006 1） K. Kitayama, X. Wang, N. Wada :“OCDMA Over WDM 6） X. Wang, et al. :“High-performance optical code PON-Solution Path to Gigabit-Symmetric FTTH”, IEEE/OSA J. Lightwave Technol., Vol. 24,No. 5, generation and recognition by use of a 511-chip, pp. 1654-1662, Apr. 2006 640-Gchip/s phase-shifted superstructured fiber Bragg grating”, OSA Optical Lett., Vol. 30, No. 4, pp. 2） X. Wang, et al. :“Dispersion-flattened-fiber based 355-357, Feb. 2005 optical thresholder for multiple-access-interference 7） X. Wang, et al. :“Flexible 10 Gbps, 8-User DPSK- suppression in OCDMA system”, Opt. Express, Vol. 13, OCDMA System with 16*16 Ports Encoder and 16- No. 14, pp. 5499-5505, July 2005 Level Pase-Shifted SSFBG Decoders”, OFC/NFOEC 3） H. J. Lee, et al. :“A Grating-Based OCDMA Coding- 2008, OMR2, San Diego, U.S.A, 24-28, Feb. 2008 Decoding System Incorporating a Nonlinear Optical 12
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